(57)【要約】  装置は、セラミック部品、金属部品、並びにセラミック部品及び金属部品を互いに接合するガラス封止材を含むことができる。ある実施形態では、当該部品及びガラス封止材の熱膨張係数が、互いに４ｐｐｍ／℃以内であり得る。金属部品は、相対的に耐酸化性であり得る。ガラス封止材は、ガラス封止材内の１つ以上の結晶相と比較して、比較的少ない量の非晶質相を有し得る。この装置は、高温、熱サイクル又はその両方に長期間曝した後でさえ良好な接合強度を示すことができる。ある実施形態では、金属部品は、接合された装置の完全性に重大な影響を及ぼさずに様々な組成の別の金属部品が使用されることを可能にし得る。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって、
セラミック部品と、
ガラス封止材と、
前記ガラス封止材を介して前記セラミック部品に接合される金属部品と、を備え、
前記セラミック部品、前記金属部品、及び前記ガラス封止材の各々は、互いに４ｐｐｍ／℃以内の熱膨張係数を有し、
前記金属部品は、０．０６ｍｇ／（ｃｍ２・ｈｒ）未満の規準化された重量増加又は０．０１ｍｇ／（ｃｍ２・ｈｒ）未満の規準化された重量減少を有し、ここで前記重量増加又は前記重量減少は、式ΔＷｎ＝｜（Ｗ−Ｗｏ）｜／（５００Ａｓ）によって計算され、式中、Ｗｏは前記金属部品の当初の重量であり、Ｗは前記金属部品を大気圧の空気に１０００℃で５００時間曝した後の重量であり、Ａｓは前記金属部品の外表面積である、装置。
【請求項２】
装置であって、
セラミック部品と、
ガラス封止材と、
前記ガラス封止材を介して前記セラミック部品に接合される金属部品と、を備え、
前記装置の接合強度の減少が、前記装置を１０５０℃に１０００時間曝した後、又は５℃／ｍｉｎ．の昇温速度及び５℃／ｍｉｎ．の降温速度での２２℃と１０００℃との間の温度変化に５サイクル曝した後において５０％以下である、装置。
【請求項３】
装置を形成するプロセスであって、
セラミック部品と金属部品を設置することと、
前記セラミック部品と前記金属部品との間にガラス封止材を配置することと、
前記セラミック部品と前記金属部品との間で接合を形成するために前記ガラス封止材を加熱することと、を含み、
前記セラミック部品、前記金属部品、及び前記ガラス封止材の各々は、互いに４ｐｐｍ／℃以内の熱膨張係数を有し、
前記金属部品は、０．０６ｍｇ／ｃｍ２／ｈｒ未満の規準化された重量増加又は０．０１ｍｇ／（ｃｍ２・ｈｒ）未満の規準化された重量減少を有し、ここで前記重量増加又は前記重量減少は、式ΔＷｎ＝｜（Ｗ−Ｗｏ）｜／（５００Ａｓ）によって計算され、式中、Ｗｏは前記金属部品の当初の重量であり、Ｗは前記金属部品を大気圧の空気に１０００℃で５００時間曝した後の重量であり、Ａｓは前記金属部品の外表面積である、プロセス。
【請求項４】
前記金属部品に隣接する酸化層を形成することを更に含む、請求項３又は１５に記載のプロセス。
【請求項５】
前記酸化層を形成することが前記ガラス封止材を配置することの前に行われる、請求項４に記載のプロセス。
【請求項６】
前記ガラス封止材を加熱することが、第１の温度で前記ガラス封止材を加熱すること、及び前記第１の温度とは異なる第２の温度で前記ガラス封止材を加熱することを含む、請求項３〜５のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項７】
前記第１の温度が、９３０℃〜１３６０℃の範囲、又は１０５０℃〜１３１０℃の範囲、又は１１５０℃〜１２８０℃の範囲である、請求項６に記載のプロセス。
【請求項８】
前記第２の温度が、８００℃〜１０５０℃の範囲、又は８２５℃〜１０００℃の範囲、又は８５０℃〜９５０℃の範囲である、請求項６又は７に記載のプロセス。
【請求項９】
前記装置の接合強度の減少が、前記装置を１０５０℃に１０００時間曝した後、又は５℃／ｍｉｎ．の昇温速度及び５℃／ｍｉｎ．の降温速度での２２℃と１０００℃との間の温度変化に５サイクル曝した後において５０％以下である、請求項１及び３〜８のいずれか一項に記載の装置又はプロセス。
【請求項１０】
最初に形成される前記シールの前記ガラス封止材が、１０ｖｏｌ．％以下、５ｖｏｌ．％以下、３ｖｏｌ．％以下、又は１ｖｏｌ．％以下の非晶質相を含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の装置又はプロセス。
【請求項１１】
前記シールの前記ガラス封止材が、サンボルナイト相、ヘキサセルシアン相、及びバリウムアルミニウムシリケート相を含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の装置又はプロセス。
【請求項１２】
前記ガラス封止材が、ＳｒＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、又はそのいずれかの組合せを更に含有する、請求項１０又は１１に記載の装置又はプロセス。
【請求項１３】
前記セラミック部品、前記金属部品、及び前記ガラス封止材の各々が、互いに３ｐｐｍ／℃以内、２ｐｐｍ／℃以内、１ｐｐｍ／℃以内、又は０．５ｐｐｍ／℃以内の熱膨張係数を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の装置又はプロセス。
【請求項１４】
前記装置が、固体酸化物燃料電池システム、酸素輸送膜システム、化学処理システム、又はその組合せを含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の装置又はプロセス。
【請求項１５】
管状セラミック部品と複数の金属部品との間の接合部形成のための装置であって、前記装置が、
高密度セラミックアダプタと、
近位及び遠位端部を備える第１の管状金属コネクタであって、前記第１の金属コネクタの少なくとも一部分が高密度セラミックアダプタのボア内に入る、第１の管状金属コネクタと、
第１の管状金属コネクタを受けるか又はそれと接合部を形成するように構成された第２の金属コネクタと、
ガラスセラミック封止材と、を備え、
高密度セラミックアダプタが、管状セラミック部品を受けるように構成された第１の雌型端部、及び第１の管状金属コネクタの前記近位端部を受けるように構成された第２の雌型端部を備え、
前記第１の管状金属コネクタの前記遠位端部が、前記第２の管状金属コネクタの対応する近位端部に嵌入するように構成されており、
前記ガラスセラミック封止材が、前記管状セラミック部品、前記高密度セラミックアダプタ、及び前記第１の管状金属コネクタの隣接面間に配置されており、それにより前記隣接面間で接合部を形成する、装置。
【請求項１６】
前記セラミック部品、前記金属コネクタ、及び前記ガラス封止材の各々が、互いに４ｐｐｍ／℃以内の熱膨張係数を有する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
第２の金属管状コネクタが、より大きな口径を有し、前記高密度セラミックアダプタから延在している前記第１の管状金属コネクタの少なくとも一部分を受けるように構成されており、前記第１及び第２の管状金属コネクタが、前記第１と第２の管状金属コネクタの接触面又は重複面の少なくとも一部分間で接合部を形成する溶接材又はろう材により接合される、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記第２の管状金属コネクタが、前記第１の管状金属コネクタとは異なる材料で構成されており、前記材料が、約７５０℃〜約１０２５℃の温度で前記第１の管状金属コネクタの材料よりも高い強度又は低いクリープひずみ速度を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の管状金属コネクタの対応する近位端部に嵌入するように構成された第３の管状金属コネクタを追加的に備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項２０】
前記第２の管状金属コネクタが、溶接材又はろう材により前記第３の管状金属コネクタと接合されて前記第２及び第３の管状金属コネクタの隣接面間で接合部を形成する、請求項１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
政府の実施権
本明細書に開示及び請求された発明は、米国エネルギー省により付与されたＣｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ  Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ  第ＤＥ−ＦＣ２６−０７ＮＴ４３０８８号の下、米国政府の支援を用いて行われた。米国政府は本発明について一定の権利を有する。
【０００２】
本開示はセラミック部品、金属部品、及びガラス封止材を含む装置、並びに当該装置の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
セラミック部品を完全性の高いシールにより金属部品と接合することは、技術的に困難であり得る。様々な提案により、特定の材料又は接合方法が発案されてきた。しかし、高温での長い動作寿命に適した、セラミック部品と金属部品間の完全性の高い接合は達成し難かった。したがって、セラミック及び金属部品間のシールの更なる向上が望まれる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
実施形態は、例として示されており、添付図面に限定されるものではない。
【０００５】
【図１】本発明に開示される実施形態に基づく装置の断面図の図示を含む。
【図２】ガラス封止材を含む図１の装置の部分の拡大図の図示を含む。
【図３】本明細書に開示する別の実施形態に基づく代替装置の断面図を含む。
【図４】接合当初及び試験後の別々の材料試料を有する装置の接合強度を含むチャートを含む。
【図５】本明細書に開示される装置の代替の実施形態の断面図の図示である。
【０００６】
当業者であれば、図中の構成要素は単純化及び明確化のために図示されており、必ずしも寸法とおりに図示されていないことを理解されよう。例えば、図中の一部の構成要素の寸法は、本発明の実施形態を理解しやすくするために、他の要素に比較して誇張されている場合がある。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
下記説明と図面を併用することによって、本明細書で開示されている教示の理解に役立つ。下記説明は、教示の特定の実施及び実施形態に焦点を合わせているであろう。この焦点は、本教示の説明に役立つものであり、本教示の範囲及び適用性における限定として解釈されるべきではない。
【０００８】
本明細書で用いるガラス封止材組成物は、分子式で記述する場合があり、又は構成金属酸化物のモル百分率として記述する場合がある。例えば、サンボルナイトは、ＢａＳｉ２Ｏ５、ＢａＯ・２ＳｉＯ２、又は３３．３ｍｏｌ％のＢａＯ及び６６．７ｍｏｌ％のＳｉＯ２として表す場合がある。
【０００９】
用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有している（ｈａｖｉｎｇ）」、又はそのいかなる他の変形は、非排他的な包含を網羅することを意図している。例えば、一連の特徴を備えたプロセス、方法、物品、又は装置は、必ずしもこれら特徴にのみ限定されず、明確に記載されていないその他の特徴又はこれらプロセス、方法、物品、若しくは装置に固有のその他の特徴を含んでいてもよい。更に、明確に反対のことが記載されていない場合、「又は（ｏｒ）」は、包含的論理和の意味を有し、排他的論理和の含意はない。例えば、「条件Ａ又はＢ」は、Ａが真（又は存在）でＢが偽（又は不存在）、Ａが偽（又は不存在）でＢが真（又は存在）、並びに、Ａ及びＢともに真（又は存在）、のいずれか１つによって満たされる。
【００１０】
「ａ」又は「ａｎ」は、本明細書に記載の構成要素及び成分を記載するために使用される。これらは、単に便宜上、本発明の範囲の一般的な意味を与えるために使用される。このような記載は、１つ又は少なくとも１つを含むように理解されるべきであり、特に明記しない限り、単数形のものは、複数形のものを含み、又はその逆、複数形のものは、単数形のものを含む。
【００１１】
特に定義しない限り、本明細書に使用されたすべての技術的用語及び科学的用語は、本発明が属する分野の当業者によって一般的に理解される意味と同様の意味を有する。材料、方法及び実施例は、単なる例示であり、限定することを意図していない。本明細書に記載されていないものに限り、特定の材料及び処理動作に関する多くの詳細は、従来のものであり、教科書及びセラミック−金属シール分野の他の出典から見出すことができる。
【００１２】
完全性の高いセラミック−金属接合は、装置が室温と動作温度の間を循環して長期間使用されることを可能にし、かつ許容できる良好な接合強度及び低漏れ量を従前どおり維持する、良好な長期性能を有することができる。
【００１３】
本発明者らは、特定の材料及びプロセスにより、セラミック部品、金属部品、及びセラミック及び金属部品を互いに接合するガラス封止材を含む装置を形成できることを見出した。熱膨張係数（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ  ｏｆ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ，ＣＴＥ）は、セラミック部品、金属部品、及びガラス封止材のすべてのＣＴＥが互いに４ｐｐｍ／℃以内となるように選択され得る。金属部品の組成物が、過度に酸化しないように選択され得る。シール形成時、ガラス封止材を、過剰な残留非晶質相を有さないように形成することができ、したがって、長期間高温に曝される場合において、ガラス封止材組成物はより安定している。更に、ガラス封止材内の不純物の含有量が少ないことが、製造再現性、金属部品の意図しない腐食等の複雑な問題を低減するのに役立つ可能性がある。装置の動作寿命にわたる低漏れ量は、少なくとも部分的には、限定された範囲のＣＴＥ、金属部品の酸化抑制、ガラス封止材の安定性、別の適切なパラメータ、又はそのいずれかの組合せによって達成することができる。
【００１４】
図１は、金属部品１１、金属部品１２、セラミック部品１４、及びセラミック部品１６を含む装置１０の一部分の断面図の図示を含む。図２は、装置１０内のガラス封止材２８をより説明するための拡大図を含む。装置１０は、７００℃、８００℃、９００℃以上の比較的高い温度で動作するように設計することができる。ある実施形態では、装置１０は、酸素輸送膜、固体酸化物燃料電池、若しくは化学処理システム（例えば、メタノール製造）等の一部であるか又は流体的に連通していてもよい。
【００１５】
金属部品１２は、装置１０に対する入口ガス又は出口ガスを供給するために使用されるアダプタであり得る。金属部品１２により、金属部品１１を、金属部品１１とガラス封止材２８に接触する装置１０の他の部分との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）のミスマッチに起因して装置１０が損傷するリスクを著しく下げて用いることが可能になる。
【００１６】
金属部品１２を用いることにより、金属部品１２が金属部品１１と同じ組成を有する場合に問題となり得るＣＴＥを金属部品１１に持たせることができる。特定の実施形態において、金属部品１１は金属管であり、金属部品１２はアダプタである。したがって、金属部品１１の材料は、セラミック部品１４及び１６並びにガラス封止材２８のいずれか１つ以上と比較して４ｐｐｍ／℃よりも大きく異なるＣＴＥを有してもよい。あるいはまた、装置１０のセラミック側はより高い温度に曝すことができ、そのため、金属部品１１は金属部品１２と同程度の高さの融点を有する必要がなくなり得る。金属部品１１は、酸化性雰囲気に曝されてもよい。例示的な合金は、インコネル（商標）合金等のＦｅを１０％未満含有するＮｉ−Ｃｒ合金、モネル（商標）合金等のＮｉ−Ｃｕ合金等を含んでもよい。このような材料は、１５．０ｐｐｍ／℃〜２０．０ｐｐｍ／℃の範囲のＣＴＥを有し得る。
【００１７】
金属部品１１は、溶接、締まり嵌め、ろう付け接合等により金属部品１２に取り付けることができる。溶接は、はんだ材又はろう材で実施される場合又は実施されない場合がある。特定のはんだ材又はろう材の選択は、金属部品１１及び１２の組成に依存し得る。締まり嵌めでは、金属部品１１を金属部品１２内にぴったりと密着させることができる。金属部品１１及び１２がより高温にされるとき、金属部品１１が金属部品１２よりも高い比率で膨張するため、部品１１と１２との間でより強力な締まり嵌めを生じることができる。金属部品１１は、セラミック部品１４の開口内に延在する場合又は延在しない場合がある。
【００１８】
図１及び２の実施形態に示されるように、金属部品１２は、傾斜肩１４２を有する金属部品に嵌合する傾斜肩１２２を有する。これにより、金属部品１２とセラミック部品１４の形状が互いに補完される。部品１２と１４の形状により、金属部品１２がセラミック部品１４に挿嵌される距離に関して、よりよいアラインメントと制御ができる。
【００１９】
金属部品１２の材料は、耐酸化性であるように選択することができる。金属部品の材料を大気圧の空気に１０００℃で５００時間曝すときの、酸化中に増加又は減少する重量によって耐酸化性を決定することができる。耐酸化性試験に用いる試料の質量は、酸化性試験の前後で測定することができる。規準化した重量変化は、式ΔＷｎ＝｜（Ｗ−Ｗｏ）｜／（５００Ａｓ）によって計算され、式中、Ｗｏは試験前の重量、Ｗは試験後の重量であり、Ａｓは試料の外表面積である。質量差の絶対値を用いることに留意されたい。試料が０．０６ｍｇ／（ｃｍ２・ｈｒ）未満の規準化された重量増加、又は０．０１ｍｇ／（ｃｍ２・ｈｒ）未満の規準化された重量減少を有する場合に、材料を耐酸化性とみなすことができる。更に、過度のスポーリングにより、早発の長期故障が発生する可能性があるため、酸化材料は、酸化試験中にスポールしない方がよい。スポーリングを経ている材料には、少なくとも１０ｗｔ％のニッケルを含有する多くの合金が含まれる。金属部品１２によく適合する例示的で非限定的な材料には、Ｃｒを２０ｗｔ．％〜２５ｗｔ．％の範囲で含有するＦｅ−Ｃｒ合金が含まれる。金属部品１２には、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚｒ又はそのいずれかの組合せを含有する合金を含むことができ、ここで、このような金属の個々の又は組合せの含有量は、０．０５ｗｔ．％〜０．９０ｗｔ．％の範囲である。
【００２０】
セラミック部品１４及び１６には、イットリア安定化ジルコニア（例えば、１ｍｏｌ％〜１０ｍｏｌ％  Ｙ２Ｏ３）、アルミン酸マグネシウム（例えば、マグネシウムに富むアルミン酸マグネシウム（ｍａｇｎｅｓｉｕｍ−ｒｉｃｈ  ｍａｇｎｅｓｉｕｍ  ａｌｕｍｉｎａｔｅ（ＭＭＡ））、ランタン添加チタン酸ストロンチウム、ランタン添加マンガン酸ストロンチウム等が含まれ得る。セラミック部品１４及び１６の選択は、装置１０における適合性及び用途に更に依存し得る。例えば、セラミック部品１４はアダプタとなる場合があり、セラミック部品１６は酸素輸送膜管となる場合がある。別の実施形態では、セラミック部品１６又はセラミック部品１４及び１６の両方は、固体酸化物燃料電池用のマニホールドに交換される場合がある。更なる実施形態では、セラミック部品の１つ又は両方は、酸化ガスによる高温動作に関与する他の用途用に異なるものとなる場合がある。
【００２１】
ガラス封止材２８は、それが接触する他の部品と良好に適合するＣＴＥを持つように選択され得る組成を有し、優れた長期安定性を有している。ＣＴＥに関して、ガラス封止組成物２８は、部品１２、１４及び１６のＣＴＥの観点から選択されるべきである。セラミック部品１４及び１６は、１０．０ｐｐｍ／℃〜１３．０ｐｐｍ／℃の範囲のＣＴＥを有し得る。金属部品１２に関して、金属部品１２が１４ｐｐｍ／℃を超える場合、良好なシールが達成されない可能性がある。少なくとも５ｗｔ．％のＡｌを含有するか、又は大部分がＮｉである材料は、１４ｐｐｍ／℃以上のＣＴＥを有し得る。金属部品１２は、１１．０ｐｐｍ／℃〜１３．５ｐｐｍ／℃の範囲のＣＴＥを有し得る。ガラス封止材２８は、９．５ｐｐｍ／℃〜１３．５ｐｐｍ／℃の範囲のＣＴＥを有し得る。
【００２２】
理想的には、すべての部品１２、１４及び１６、並びにガラス封止材２８のＣＴＥは、同一のＣＴＥを有する。しかし、装置１０が使用される用途では、材料の選択を制限する可能性があり、そこで、異なる材料が使用されるために種々のＣＴＥが存在することになるであろう。ある実施形態では、部品１２、１４及び１６、並びにガラス封止材２８のＣＴＥは、互いに４ｐｐｍ／℃以内となるＣＴＥを有する。別の実施形態では、ＣＴＥの差がより小さくなることで、より優れたシールが可能となり得、そのため、ＣＴＥは、３ｐｐｍ／℃以内、２ｐｐｍ／℃以内、１ｐｐｍ／℃以内、更に０．５ｐｐｍ／℃以内であってもよい。特定の実施形態では、部品１２、１４及び１６のＣＴＥ間のガラス封止材２８。例えば、金属部品１２が約１３ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有し、セラミック部品が約１１ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有する場合、ガス封止材は、１１．５ｐｐｍ／℃〜１２．５ｐｐｍ／℃の範囲のＣＴＥを有し得る。
【００２３】
ある実施形態では、ガラス封止材料２８は、バリウム−アルミニウム−シリコン（ｂａｒｉｕｍ−ａｌｕｍｉｎｕｍ−ｓｉｌｉｃｏｎ（ＢＡＳ））クラスの材料であってもよい。最初に接合されるとき（以下、接合当初（ａｓ−ｂｏｎｄｅｄ）と呼ぶ）、ガラス封止材２８は、サンボルナイト（ＢａＯ・２ＳｉＯ２）結晶相、ヘキサセルシアン（ＢａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）結晶相を含む場合があり、また、残留非晶質相を含んでもよい。サンボルナイト結晶相は約１３．０ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有することができ、ヘキサセルシアン結晶相は約８．０ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有することができ、また、残留非晶質相は約１０．０ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有することができる。サンボルナイト結晶相の比較的高い含有量は、ガラス封止組成物のＣＴＥを増大させる助けとなり得る。ある実施形態では、サンボルナイト結晶相は、少なくとも６０ｖｏｌ．％、少なくとも７５ｖｏｌ．％、又は少なくとも８５ｖｏｌ．％であり得る。サンボルナイト結晶相の含有量が高すぎると、焼結挙動に悪影響を及ぼすことがある。ある実施形態では、サンボルナイト結晶相は９０ｖｏｌ．％以下であってもよい。ある実施形態では、ヘキサセルシアン結晶相は、ガラス封止材２８中に少なくとも９ｖｏｌ．％、少なくとも１１ｖｏｌ．％、又は少なくとも１５ｖｏｌ．％含まれる。ヘキサセルシアン結晶相が過剰に存在する場合、特に金属部品１２とのＣＴＥミスマッチが大きくなりすぎる場合がある。ある実施形態では、ガラス封止材２８中のヘキサセルシアン結晶相は、４０ｖｏｌ．％以下、３０ｖｏｌ．％以下、２５ｖｏｌ．％以下である。
【００２４】
ガラス封止材２８の安定性により、より長く高温動作寿命を持続する、より完全性の高いシールが可能になる。安定性は、残留非晶質相の量の影響を受け得る。後でより詳細に検討されるように、所望のＣＴＥを実現するために、ガラス封止材２８を結晶化させる場合がある。シール形成後、ガラス封止材２８の結晶化温度に相当する温度範囲若しくはその温度付近で装置が動作する場合、又は装置がその標準的な動作温度範囲に近づくときに装置の温度がこの結晶化温度を通過する場合に、非晶質相は結晶化し得る。ガラス封止材２８のすべてが１種以上の結晶相である場合、高温動作時にガラス封止材のＣＴＥが変化する可能性を大幅に低減することができる。なお、非晶質相は、結晶相内に入り込まないため、より高い反応性をもち得る。したがって、非晶質相はより高い反応性をもつことができるか、又は１つ以上のセラミック及び金属部品のいずれかとの不所望な相互作用を新たに長期間発生させ得る。ある実施形態では、ガラス封止材２８は、ガラス封止材中に１０ｖｏｌ．％以下、５ｖｏｌ．％以下、３ｖｏｌ．％以下、又は１ｖｏｌ．％以下の非晶質相を含むことができる。一般に、非晶質相の含有量が比較的低いことが、装置１０の寿命にわたってより安定した接合を形成する助けとなり得る。
【００２５】
不純物を、ガラス封止材２８の出発原料中に存在させてもよいし、他の出発原料に意図的に添加してもよい。ガラス封止材２８の所望の組成及び動作環境は、存在することができる不純物の種類、及び不純物の量に関して影響を及ぼす可能性がある。事柄を更に複雑にするために、最初は焼結助剤として役立つことができる不純物が、長期的な問題を招く可能性がある。例えば、アルカリ金属酸化物であるＣａＯ、Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５のいずれか１つ以上は、ガラス封止材２８の濡れ、流動、又は結晶化の助けとなり得る。しかし、高温で水蒸気が存在する場合、このような物質は、腐食性のものとなり得る。ある実施形態では、ＳｒＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、又はそのいずれかの組合せが添加されて、他の多くの一般的な添加不純物と比べて悪影響を及ぼす可能性を低減することで組成物を改善することができる。
【００２６】
ガラス封止材２８内の金属酸化物に関して、ある実施形態では、ＳｉＯ２の量を、６０ｍｏｌ％〜６５ｍｏｌ％の範囲で含むことができ、また、特定の実施形態では、６２ｍｏｌ％〜６３ｍｏｌ％の範囲で含むことができる。ある実施形態では、ＢａＯの量を、２５ｍｏｌ％〜３５ｍｏｌ％の範囲で含むことができ、また、特定の実施形態では、３０ｍｏｌ％〜３２ｍｏｌ％の範囲で含むことができる。ある実施形態では、Ａｌ２Ｏ３の量を、３ｍｏｌ％〜１５ｍｏｌ％の範囲で含むことができ、また、特定の実施形態では、５ｍｏｌ％〜１０ｍｏｌ％の範囲で含むことができる。ＳｒＯ、ＴｉＯ２及びＺｒＯ２の総量は、いずれか１つ以上が存在する場合、４ｍｏｌ％以下であり得る。特定の実施形態では、ＳｒＯ、ＴｉＯ２及びＺｒＯ２を、意図的な不純物として添加しない。別の特定の実施形態では、ガラス封止材２８は、０．５ｍｏｌ％〜２ｍｏｌ％のＳｒＯを含む。ある実施形態では、ガラス封止材２８は、ＳｒＯ、ＴｉＯ２及びＺｒＯ２（存在する場合）以外のこのような他の不純物を１ｍｏｌ％以下含む。
【００２７】
ＳｉＯ２、ＢａＯ及びＡｌ２Ｏ３の比率を制御することにより、残留非晶質相の量を相対的に低く保つ助けとなり得る。ＳｉＯ２とＢａＯのモル比は、１．５：１〜約３：１の範囲であり得、特定の実施形態では、１．８：１〜２．２：１の範囲である。ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３のモル比は、３：１〜７：１の範囲であり得、特定の実施形態では、４：１〜６：１の範囲であり得る。
【００２８】
装置１０を形成するプロセスには、部品を合わせて接合する前に部品及び材料を調製することも含まれ得る。セラミック部品１４及び１６は、未焼結体として形成することができ、焼結してセラミック部品１４及び１６を形成することができる。金属部品１２は、酸化されてガラス封止組成物２８とのよりよい接着に貢献し得る。この任意の実施形態では、金属部品１２は、１０分〜１２０分の範囲の時間、９００℃〜１２００℃の範囲の温度で、空気、酸素等の酸化性雰囲気に曝され得る。金属部品１２は、１℃／ｍｉｎ．〜１０℃／ｍｉｎ．の範囲の速度で加熱及び冷却され得る。得られる酸化物は、１ミクロン〜２０ミクロンの範囲の厚さを有する。金属部品１１は、金属部品１２をセラミック部品１２及び１４に接合させる前又は後に、金属部品１２に連結させてもよい。
【００２９】
ガラス封止材２８は、ガラス前駆体材料から形成することができる。前駆体の量は、以前に記載されたガラス封止材２８の組成を達成するために選択される。ガラス前駆体材料は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及びＢａＯを含有することができ、そして、例えば、以下に詳細に記載される、適量の予備焼成されたＡｌ２Ｏ３、炭酸バリウム（ＢａＣＯ３は分解してＢａＯとＣＯ２になり得る）及びＳｉＯ２を含有する粉末混合物を融解することによって調製することができる。融解は、ジュール加熱された白金るつぼ中で１５００℃〜１６００℃の範囲の温度で行うことができる。融解物は、水焼入れの前に１時間〜３時間の範囲の時間で精製することができ、ガラスフリットを生成する。ガラスフリットを、粉砕し、ふるい分けして、０．７〜４ミクロンの範囲等の、０．５〜１０ミクロンの範囲の平均粒径を有するガラス粉末を生成することができる。ガラス粉末を高分子バインダ及び有機溶剤と混合して、ガラス粒子のスラリを生成することができる。
【００３０】
ガラス粒子のスラリを、装置１０の部品１２、１４及び１６の１つ以上の上に載せることができる。あるいは、ガラス粒子のスラリを当該部品の少なくともいくつかに塗布する前に、少なくともいくつかの部品を組み立ててもよい。例えば、ガラス粒子のスラリを塗布する前に、金属部品１２のステムをセラミック部品１４の開口部に挿嵌してもよい。続いて、ガラス粒子のスラリを塗布した後、セラミック部品１６を所定の位置に配置することができる。
【００３１】
部品が配置された後、ガラス粒子のスラリが塗布され、装置１０が焼きなましされて接合する。接合操作は、シール形成及び結晶化を含み、ガラス封止材料２８のＣＴＥを調整することができる。高分子バインダ及び有機溶媒を焼失させた後、シールを形成するために装置１０を加熱してガラスを高密度化及び流動させる。シール形成のための温度及び時間は、ガラス組成に依存し得る。ある実施形態では、シール形成の温度は、少なくとも９５０℃、少なくとも１０５０℃、少なくとも１１５０℃、少なくとも１２１０℃、少なくとも１２３０℃、又は少なくとも１２５０℃であり、更に別の実施形態では、シール形成の温度は、１３６０℃以下、１３１０℃以下、又は１２８０℃以下である。特定の実施形態では、シール形成の温度は、９５０℃〜１３６０℃の範囲、１０５０℃〜１３１０℃の範囲、１１５０℃〜１２８０℃の範囲である。シール形成の時間は、温度に依存し得る。ある実施形態では、当該時間は、少なくとも０．５分、少なくとも２分、又は少なくとも５分であり、更に別の実施形態では、当該時間は、１２０分以下、５５分以下、又は２０分以下である。特定の実施形態では、この時間は、０．５分〜１２０分の範囲、２分〜５５分の範囲、又は５分〜２０分の範囲である。
【００３２】
ある実施形態では、結晶化温度及び時間は、ガラス組成に依存し得る。ある実施形態では、結晶化温度は、少なくとも８００℃、少なくとも８２５℃、又は少なくとも８５０℃であり、更に別の実施形態では、結晶化温度は、１０５０℃以下、１０００℃以下、又は９５０℃以下である。特定の実施形態では、結晶化温度は８００℃〜１０５０℃の範囲、８２５℃〜９５０℃の範囲、又は８５０℃〜９５０℃の範囲である。結晶化時間は、温度に依存し得る。ある実施形態において、結晶化時間は、少なくとも１．１時間、少なくとも２．５時間、少なくとも３時間、又は少なくとも４時間であり、更に別の実施形態では、結晶化時間は、９．５時間以下、８．５時間以下、７時間以下、又は６時間以下である。特定の実施形態では、結晶化時間は、１．１時間〜９．５時間の範囲、２．５時間〜８．５時間の範囲、３時間〜７時間の範囲、又は４時間〜６時間の範囲である。結晶化を行った後、ガラス封止組成物の大部分は、１つ以上の結晶相内にあるはずであり、比較的少量のガラス封止組成物のみが残留非晶質相内にあるであろう。比較的少量の残留非晶質相は、装置の標準的な動作寿命にわたってより安定した接合を形成する助けとなり得る。
【００３３】
接合強度を試験するために、当該装置で試験が行われ得る。１つの試験が、接合当初の装置で行われる。もう１つの試験が、５回の温度サイクルを経た接合された装置で行われるが、ここで、各周期において、接合された装置が５℃／分のランプ速度で１０００℃まで加熱され、５℃／分のランプ速度で２２℃まで冷却される。老化試験では、接合された装置を１０００時間の間１０５０℃まで加熱する。老化試験において、接合された装置は、５℃／分のランプ速度で加熱され、５℃／分のランプ速度で２２℃まで冷却された。サイクル試験及び老化試験の各々は、空気中、大気圧下で行われる。各装置は、セラミック部品１４の平坦部（図１及び図２の下部付近）と金属部品１２のステムに沿って保持され、続いて、装置が個別に引っ張られて接合強度（すなわち、引張応力の発生下で破壊の直前に加わる力）を決定する。この接合強度試験は大気条件で行う。サイクル試験及び老化試験により、接合当初の装置と比較して、装置の接合強度が低下し得る。接合強度の減少は、以下の式を用いて計算することができる。
サイクル試験用（（Ｓ接合当初−Ｓサイクル後）／Ｓ接合当初）×１００％又は
老化試験用（（Ｓ接合当初−Ｓ老化後）／Ｓ接合当初）×１００％
式中、
Ｓ接合当初は、接合当初の装置を分離するのに必要な力であり、
Ｓサイクル後は、サイクル試験後に装置を分離するのに必要な力であり、
Ｓ接合当初は、老化試験後に装置を分離するのに必要な力である。
２つ以上の装置を試験する場合、平均の接合強度値を使用することができる。
【００３４】
接合強度の減少が少なくなることで、接合が装置の高温動作寿命にわたってより高い完全性及び安定性を有することを示すことができる。ある実施形態において、サイクル試験又は老化試験後の装置の接合強度の減少は、５０％以下、４０％以下、３５％以下、３０％以下、２５％以下、１０％以下、又は５％以下である。
【００３５】
装置に関連する漏れ量は、セラミック部品、金属部品、及びガラス封止材の接合面における流量係数（ｆｌｏｗ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ（Ｃｖ））を測定することにより決定することができる。Ｃｖは、１×１０−５以下、５×１０−６以下、又は１×１０−６以下であり得る。
【００３６】
酸素輸送膜（ｏｘｙｇｅｎ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｍｅｍｂｒａｎｅ（ＯＴＭ））部品における漏れ試験の目的は、同等の流量係数ＣＶにおいて漏れを特徴づけることにある。これにより、異なる条件（例えば、温度、圧力、ガス種）での漏れ量を比較及び推定できる。ＣＶは、漏れ流量を漏れの生じている試料の両側の圧力を組み合わせて測定することにより決定される。温度及び気体比重もまた、計算されるＣＶに影響する。
【００３７】
流量係数は、バルブ供給及び製造産業において一般に使用されており、ＣＶの計算に使用する算出式の包括的な概説を、Ｓｗａｇｅｌｏｋ（登録商標）から入手可能なバルブ・サイズの選定技術資料（ＭＳ−０６−８４）に見出すことができる。ＣＶの決定は、前述の技術資料に従って、低差圧時又は高差圧時の２つの流量状態のうち１つで行われた。低差圧時の流量状態については、漏れ部の上流の絶対圧が、漏れ部の下流の絶対圧の２倍より小さい場合、漏れ口で亜音速流が生じることになり、次の算出式を適用できる。
【００３８】
【数１】
2019502648.tif 000002
【００３９】
高差圧時の流量状態については、漏れ部の上流の圧力が、漏れ部の下流の圧力の２倍より大きい場合、次の算出式を適用できた。
【００４０】
【数２】
2019502648.tif 000003
【００４１】
上記の両算出式について、
ＣＶ＝流量係数、ｑ＝気体流量（ｓｔｄ  Ｌ／ｍｉｎ）
Ｎ２＝６９５０
ｐ１＝漏れ部の上流側圧力（ｂａｒ（絶対値））
ｐ２＝漏れ部の下流側圧力（ｂａｒ（絶対値））
Ｔ１＝温度（Ｋ）
Ｇｇ＝気体比重（空気＝１．０）
【００４２】
ＯＴＭ部品のＣＶの測定は通常、不燃性ガスを用いて周囲温度で行われた。例えば、測定されたＯＴＭ部品の漏れ量は、２０℃の空気で０．６ｓｌｐｍであり、上流側圧力は５０ｐｓｉｇ（４．４ｂａｒ）、下流側圧力は０ｐｓｉｇ（１ｂａｒ）であった。高差圧時の流量状態に上記の算出式を用いると、この漏れ部のＣＶは、おおよそ７Ｅ−４であった。ある漏れ部に対応するＣＶをひとたび測定したら、他の一連の条件のいずれでもその値を使用して漏れ量を計算できることになる。上記で計算されたＣＶ（すなわち、７Ｅ−４）を用いると、Ｐ１＝２００ｐｓｉｇ及びＰ２＝０ｐｓｉｇを用いて推定された５００℃における漏れ量は、メタン（Ｇｇ＝１６／２９＝０．５５）で１．６ｓｌｐｍとなるはずである。
【００４３】
図１及び図２に示される装置で認められる改善効果は、他の装置においても認めることができる。図３は、金属部品１１及び１２を金属部品３２で置換し、セラミック部品１４をセラミック部品３４で置換した装置３０の図示を含む。金属部品３２及びセラミック部品の材料は、金属部品１２及びセラミック部品１４に関して記載された材料のいずれかであってもよい。他の設計を用いて、特定の用途に対するニーズ又は要望を満たすことができる。
【００４４】
図５には、高応力及びセラミックと金属の連結又はシールにおける高潜在性クリープひずみ領域に関連した問題の軽減を対象とする、更なる実施形態を記載している。図５には、セラミック部品１６と金属コネクタ１２の間に配置された高密度セラミックアダプタ１４を備える装置を記載している。この実施形態では、セラミック部品１６は、管状セラミック酸素輸送膜である。セラミック膜アダプタ１４は、セラミック酸素輸送膜管１６を受けるように構成された第１の雌型端部５２、及び第１の金属部品若しくはコネクタ１２のそれに対応する第１の又は近位端部２０を嵌入又は受けるように構成された、第２の雌型端部５４を含む管状形状のアダプタである。部品１２は、隣接するガラス２８、並びに隣接するセラミック部品１４及び１６に最も適合する熱膨張率をもつ第１の金属部品である。高密度セラミックアダプタ１４はまた、セラミック管状酸素輸送膜１６の熱膨張係数に適合するか又は厳密に適合する熱膨張係数を有する。更に重要なことは、高密度セラミックアダプタ１４が、セラミック部品と第１の金属管又はコネクタ１２との間の熱膨張特性の差によって生じる応力の多くを吸収するように設計されていることである。
【００４５】
この第１の金属部品１２の第２の又は遠位端部２１は、この第２の金属部品又はコネクタ１１の対応する雌型又は近位端部に嵌入するように構成されている。一実施形態では、第２の金属管状コネクタは、より大きな口径を有し、高密度セラミックアダプタから延在している第１の管状金属コネクタの少なくとも一部分を受けるように構成されており、ここで、この第１及び第２の管状金属コネクタは、第１と第２の管状金属コネクタの重複面の少なくとも一部分間で接合部を形成するろう材により接合される。このような構成においては、好ましくは、セラミック部品１４又は第２の金属部品１１のいずれかと重複しないで曝される第１の金属部品１２の全長は、できるだけ短く、０．７５ｍｍ以下である。
【００４６】
また、第２の金属コネクタ１１は、第１の金属コネクタ１２と同じ口径であり、この２つのコネクタは、鍛接されて接合部を形成し、ここで、この接合部は、内部加圧下での金属部品１１のクリープひずみが周囲の高密度セラミックアダプタ１４によって最小化又は減退されるように、高密度セラミックアダプタ１４の内部ボア内に完全に組み込まれている。
【００４７】
金属部品１１は、Ｉｎｃｏｌｌｏｙ  ８００ＨＴ（ＵＮＳ  Ｎ０８８１１）等のより高い熱膨張率となる合金ではなく、金属部品１２より高い引張及びクリープひずみ耐性を有する合金で構成されている。
【００４８】
上記のガラスセラミック接合剤又はガラス封止材２８は、セラミックアダプタ１４と金属コネクタ１２の接合面又はその近傍に配置され、より詳細には、環状シース構造に近接する。本明細書に記載のプロセスに従って加熱する場合、ガラスセラミック材２８は、セラミック膜アダプタ１４と金属コネクタ１２の隣接面間の界面に流入するか又は界面を濡らし、更には、重複面の少なくとも一部分の間で接合部を形成する環状シース構造へと流入する。
【００４９】
ＷａｌｌＣｏｌｍｏｎｏｙのＮｉｃｒｏｂｒａｚ  ＬＭ  ａｌｌｏｙ（ＢＮｉ−２，ＡＭＳ  ４７７７）等のニッケルろう材は、第１の金属部品１２と第２の金属部品１１間の接合部１７を構成する。高温真空炉でのニッケルろう付け等の様々なろう付け技術が当該技術分野で十分に確立されており、本明細書で規定される炉周期は、特定の合金にとって典型的なものである。金属部品１１と類似の金属を含有し、システムの残りの部分と流体接続を形成する第３の金属部品１９は、金属部品１１の遠位端部に接合するように構成されている。第３の金属コネクタは、より小さな口径を有し、第２の金属コネクタ１１のボアに挿嵌するように構成されており、ここで、第３及び第２の金属コネクタは、炉又は抵抗加熱工程によって融解及び拡散されたニッケルろう材により接合されるか又は、ティグ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ−Ｉｎｅｒｔ−Ｇａｓ（ＴＩＧ））工程により形成されるようななめ付け溶接によって、システムの残りの部分とのマニホールド接続経路を含む第２及び第３の金属部品との間で接合部１８を形成する。
【００５０】
あるいは、第３の金属コネクタ１９は、第２の金属コネクタ１２と同じ口径となり、この２つのコネクタは鍛接され２つのコネクタ間で接合部を形成することができる。
【００５１】
一実施形態では、第１及び第２の金属（１２及び１１）部品を作製し、最初にろう付けして合わせる。これらは、続いて別々の加熱プロセスにおいて管１６及びアダプタ１４にガラス封止される新規の接合部品となる。次に、組立ての最後の工程として、第３の金属部品１９が差し込まれ、第３の加熱プロセスにより溶接又はろう付けされる。種々のコネクタ及びアダプタ間の接合形成は、同じ場所で同時に行われる必要はない。
【００５２】
セラミック膜アダプタ１４はまた、第１の雌型端部５２と第２の雌型端部５４の間を貫通し、かつ金属コネクタを通って、更に酸素輸送膜管の内部と連通する中央ボアを規定する。他の実施形態と同様に、セラミック部品、金属コネクタ、及びガラス封止材は、互いに４ｐｐｍ／℃以内の熱膨張係数を有し、別の実施形態では３ｐｐｍ／℃以内、別の実施形態では２ｐｐｍ／℃以内、更に別の実施形態では１ｐｐｍ／℃以内、又は更なる実施形態では０．５ｐｐｍ／℃以内の熱膨張係数を有する。
【００５３】
一実施形態では、第２の管状金属コネクタは、第１の管状金属コネクタとは異なる材料で構成されており、ここで、この材料は、約７５０℃〜約１０２５℃の温度で第１の管状金属コネクタの材料よりも高い強度を有する。
【００５４】
多くの異なる態様及び実施形態が可能である。これらの態様及び実施形態のいくつかは、以下に記載される。本明細書を読んだ後、当業者は、それらの態様及び実施形態が、説明的なものにすぎず、本発明の範囲を限定するものではないことを理解するであろう。例示的な実施形態は、以下に列挙する項のいずれか１つ以上に基づくことができる。
【００５５】
実施形態１。装置は、セラミック部品、ガラス封止材、及びガラス封止材を介してセラミック部品に接合される金属部品を含み、ここで、
セラミック部品、金属部品、及びガラス封止材の各々は、４ｐｐｍ／℃以内の熱膨張係数を有し、
金属部品は、０．０６ｍｇ／（ｃｍ２・ｈｒ）未満の規準化された重量増加又は０．０１ｍｇ／（ｃｍ２・ｈｒ）未満の規準化された重量減少を有し、ここで重量増加又は重量減少は、式ΔＷｎ＝｜（Ｗ−Ｗｏ）｜／（５００Ａｓ）によって計算され、式中、Ｗｏは金属部品の当初の重量であり、Ｗは金属部品を大気圧の空気に１０００℃で５００時間曝した後の重量であり、Ａｓは金属部品の外表面積である。
【００５６】
実施形態２。装置は、セラミック部品、ガラス封止材、及びガラス封止材を介してセラミック部品に接合される金属部品を含み、ここで、装置の接合強度の減少は、１０５０℃に１０００時間曝した後、又は５℃／ｍｉｎ．の昇温速度及び５℃／ｍｉｎ．の降温速度での２２℃と１０００℃の間の温度変化に５サイクル曝した後において５０％以下である。
【００５７】
実施形態３。セラミック部品及び金属部品を設置すること、セラミック部品と金属部品の間にガラス封止材を配置すること、及びセラミック部品と金属部品の間で接合を形成するためのガラス封止材を加熱することを含む装置の形成プロセスであって、ここで、
セラミック部品、金属部品、及びガラス封止材の各々は、互いに４ｐｐｍ／℃以内の熱膨張係数を有し、
金属部品は、０．０６ｍｇ／ｃｍ２／ｈｒ未満の規準化された重量増加又は０．０１ｍｇ／（ｃｍ２・ｈｒ）未満の規準化された重量減少を有し、ここで重量増加又は重量減少は、式ΔＷｎ＝｜（Ｗ−Ｗｏ）｜／（５００Ａｓ）によって計算され、式中、Ｗｏは金属部品の当初の重量であり、Ｗは金属部品を大気圧の空気に１０００℃で５００時間曝した後の重量であり、Ａｓは金属部品の外表面積である。
【００５８】
実施形態３Ａ。管状セラミック部品と複数の金属部品との間の接合部形成のための装置であって、この装置は、
高密度セラミックアダプタ、
少なくとも一部分が高密度セラミックアダプタのボア内に入る、近位及び遠位端部を備える第１の管状金属コネクタ、
第１の管状金属コネクタを受けるか又はそれと接合部を形成するように構成される第２の金属コネクタ、及び
ガラスセラミック封止材を備え、
高密度セラミックアダプタが、管状セラミック部品を受けるように構成される第１の雌型端部、及び第１の管状金属コネクタの近位端部を受けるように構成される第２の雌型端部を備え、
第１の管状金属コネクタの遠位端部が、第２の管状金属コネクタの対応する近位端部に嵌入するように構成されており、
ガラスセラミック封止材が、管状セラミック部品、高密度セラミックアダプタ及び第１の管状金属コネクタの隣接面間に配置されており、それにより当該隣接面間で接合部を形成する。
【００５９】
実施形態４。金属部品に隣接する酸化層の形成を更に含む、実施形態３又は３Ａのプロセス。
【００６０】
実施形態５。酸化層の形成がガラス封止材の配置の前に行われる、実施形態４のプロセス。
【００６１】
実施形態６。ガラス封止材の加熱が、第１の温度でガラス封止材を加熱すること、及び第１の温度とは異なる第２の温度でガラス封止材を加熱することを含む、実施形態３〜５のいずれか１つのプロセス。
【００６２】
実施形態７。第２の温度でガラス封止材が加熱されてガラス封止材を結晶化する、実施形態６のプロセス。
【００６３】
実施形態８。第１の温度が第２の温度よりも高い、実施形態６又は７のプロセス。
【００６４】
実施形態９。第１の温度が、少なくとも９５０℃、少なくとも１０３０℃、少なくとも１０５０℃、少なくとも１１５０℃、少なくとも１２１０℃、少なくとも１２３０℃、又は少なくとも１２５０℃である、実施形態６〜８のいずれか１つのプロセス。
【００６５】
実施形態１０。第１の温度が、１３６０℃以下、１３１０℃以下、又は１２８０℃以下である、実施形態６〜９のいずれか１つのプロセス。
【００６６】
実施形態１１。第１の温度が、９３０℃〜１３６０℃の範囲、１０５０℃〜１３１０℃の範囲、又は１１５０℃〜１２８０℃の範囲である、実施形態６〜１０のいずれか１つのプロセス。
【００６７】
実施形態１２。第２の温度が、少なくとも８００℃、少なくとも８２５℃、又は少なくとも８５０℃である、実施形態６〜１１のいずれか１つのプロセス。
【００６８】
実施形態１３。第２の温度が、１０５０℃以下、１０００℃以下、又は９５０℃以下である、実施形態６〜１２のいずれか１つのプロセス。
【００６９】
実施形態１４。第２の温度が、８００℃〜１０５０℃の範囲、８２５℃〜１０００℃の範囲、又は８５０℃〜９５０℃の範囲である、実施形態６〜１３のいずれか１つのプロセス。
【００７０】
実施形態１５。第１の温度での加熱が、少なくとも０．５分、少なくとも２分、又は少なくとも５分の間行われる、実施形態６〜１４のいずれか１つのプロセス。１６。第１の温度での加熱が、１２０分以下、５５分以下、又は２０分以下の間行われる、実施形態６〜１５のいずれか１つのプロセス。
【００７１】
実施形態１６。第１の温度での加熱が、０．５分〜１２０分の範囲、２分〜５５分の範囲、又は５分〜２０分の範囲の間行われる、実施形態６〜１５のいずれか１つのプロセス。
【００７２】
実施形態１７。第２の温度での加熱が、少なくとも１．１時間、少なくとも２．５時間、少なくとも３時間、又は少なくとも４時間の間行われる、実施形態６〜１６のいずれか１つのプロセス。
【００７３】
実施形態１８。第２の温度での加熱が、９．５時間以下、８．５時間以下、７時間以下、又は６時間以下の間行われる、実施形態６〜１７のいずれか１つのプロセス。
【００７４】
実施形態１９。第２の温度での加熱が、１．１時間〜９．５時間の範囲、２．５時間〜８．５時間の範囲、３時間〜７時間の範囲、又は４時間〜６時間の範囲の間行われる、実施形態６〜１８のいずれか１つのプロセス。
【００７５】
実施形態２０。装置の接合強度の減少が、１０５０℃に１０００時間曝した後、又は５℃／ｍｉｎ．の昇温速度及び５℃／ｍｉｎ．の降温速度での２２℃と１０００℃の間の温度変化に５サイクル曝した後において５０％以下である、実施形態１及び３〜１９のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００７６】
実施形態２１。装置の接合強度の減少が、装置を１０５０℃に１０００時間曝した後において、５０％以下、４０％以下、３５％以下、３０％以下、２５％以下、１０％以下、又は５％以下である、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００７７】
実施形態２２。装置の接合強度の減少が、装置を５℃／ｍｉｎ．の昇温速度及び５℃／ｍｉｎ．の降温速度で２２℃と１０００℃の間の温度変化に５サイクル曝した後において、５０％以下、４０％以下、３５％以下、３０％以下、２５％以下、１０％以下、又は５％以下である、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００７８】
実施形態２３。金属部品が、０．００１ｍｇ／（ｃｍ２・ｈｒ）以下、０．０００５ｍｇ／ｃｍ２／ｈｒ以下、又は０．０００１ｍｇ／（ｃｍ２・ｈｒ）以下の規準化された重量減少を有する、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００７９】
実施形態２４。金属部品が、Ｃｒ及びＦｅを含有する合金を含む、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００８０】
実施形態２５。金属部品が、Ｌａ、Ｚｒ、Ｔｉ、及びそのいずれかの組合せを含有する合金を含む、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００８１】
実施形態２６。合金内のＬａ、Ｚｒ、Ｔｉ、及びそのいずれかの組合せの含有量が、０．０５ｗｔ．％〜０．９０ｗｔ．％の範囲である、実施形態２６の装置又はプロセス。
【００８２】
実施形態２７。金属部品が、Ｗ、Ｎｂ、又はＮを含有しない合金を含む、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００８３】
実施形態２８。金属部品が、合金の総重量に対して１ｗｔ．％〜５．５ｗｔ．％の量のＡｌを含有する合金を含む、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００８４】
実施形態２９。セラミック部品が、安定化ジルコニア、マグネシアアルミン酸マグネシウム（ｍａｇｎｅｓｉａ  ｍａｇｎｅｓｉｕｍ  ａｌｕｍｉｎａｔｅ）、ランタン添加チタン酸ストロンチウム、ランタン添加マンガン酸ストロンチウム、又はその組合せを含有する材料を含む、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００８５】
実施形態３０。ガラス封止材が、Ｓｉ、Ｂａ、Ａｌ、又はそのいずれかの組合せの酸化物を含有する、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００８６】
実施形態３１。最初に形成されるシールのガラス封止材が、１０ｖｏｌ．％以下、５ｖｏｌ．％以下、３ｖｏｌ．％以下、又は１ｖｏｌ．％以下の非晶質相を含む、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００８７】
実施形態３２。シールのガラス封止材が、サンボルナイト相、ヘキサセルシアン相、及びバリウムアルミニウムシリケート相を含む、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００８８】
実施形態３３。シールのガラス封止材が、５ｗｔ．％以下、３ｗｔ．％以下、又は１ｗｔ．％以下の不純物を含有する、実施形態３３の装置又はプロセス。
【００８９】
実施形態３４。封止材が、少なくとも５０ｍｏｌ％のＳｉＯ２、２５ｍｏｌ％〜５０ｍｏｌ％のＢａＯ、及び１．１ｍｏｌ％〜１５ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３を含有する、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００９０】
実施形態３５。封止材が、少なくとも６０ｍｏｌ％〜６４ｍｏｌ％のＳｉＯ２、３０ｍｏｌ％〜３２ｍｏｌ％のＢａＯ、及び５ｍｏｌ％〜８ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３を含有する、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００９１】
実施形態３６。ガラス封止材が、ＳｒＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、又はそのいずれかの組合せを更に含有する、実施形態３１〜３６のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００９２】
実施形態３７。ガラス封止材が、０．５ｍｏｌ％〜２ｍｏｌ％のＳｒＯを含有する、実施形態３７の装置又はプロセス。
【００９３】
実施形態３８。セラミック部品が、１０．０ｐｐｍ／℃〜１３．０ｐｐｍ／℃の範囲の熱膨張係数を有する、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００９４】
実施形態３９。金属部品が、１１．０ｐｐｍ／℃〜１３．５ｐｐｍ／℃の範囲の熱膨張係数を有する、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００９５】
実施形態４０。ガラス封止材が、９．５ｐｐｍ／℃〜１３．５ｐｐｍ／℃の範囲の熱膨張係数を有する、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００９６】
実施形態４１。セラミック部品、金属部品、及びガラス封止材の各々が、互いに３ｐｐｍ／℃以内、２ｐｐｍ／℃以内、１ｐｐｍ／℃以内、又は０．５ｐｐｍ／℃以内の熱膨張係数を有する、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００９７】
実施形態４２。装置が、セラミック部品、金属部品、及びガラス封止材の接合面で、１×１０−５以下、５×１０−６以下、又は１×１０−６以下の流量係数（Ｃｖ）を有する、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００９８】
実施形態４３。装置が、固体酸化物燃料電池システム、酸素輸送膜システム、化学処理システム、又はその組合せを含む、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【００９９】
実施形態４４。セラミック部品が、固体酸化物燃料電池、マニホールド、アダプタ、又はその組合せを含む、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【０１００】
実施形態４５。金属部品が、送気管、アダプタ、マニホールド、又はその組合せを含む、先行する実施形態のいずれか１つの装置又はプロセス。
【実施例】
【０１０１】
上述のような実施形態に従って形成された実施例は、装置の良好な長期動作寿命を反映することができる試験において優れた性能を発揮する、良好な接合を有する装置を実証するために提示される。本実施例は、説明を意図しており、添付の特許請求の範囲を限定するものではない。
【０１０２】
実施例１を行い、接合及び酸化試験において、金属部品１６用の種々の金属組成物がどのように機能するかを判定した。表１は、金属部品１６用の種々の材料に対する装置の結果を集約したものである。注目すべき要素を値なしで列挙する限りは、その含有量は、０．０１ｗｔ．％〜１ｗｔ．％の範囲である。他の不純物が存在してもよく、それらは表１には記載されていないことに留意されたい。例えば、Ｃは鉄組成物中に存在するが、列記していない。材料間でより適切な比較ができるように、セラミック部品及びガラス封止材の組成はすべての装置で同じであった。
【０１０３】
【表１】
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【０１０４】
試料Ａ、Ｂ及びＣを老化試験にかけ、更に試料Ａをサイクル試験にかけた。図４は、接合当初、老化試験及びサイクル試験後の試料のデータを含む。試料Ａ及びＢの各々は、老化試験後に約５％の接合強度の減少を示し、試料Ａは、サイクル試験後に約５％の接合強度の減少を示した。試料Ｃは、老化試験及びＷの存在後に有意な接合強度を少しも有さなかった。試料Ｂ及びＣの各々は、わずかにスポーリングの徴候を示した。したがって、試料Ａは、金属部品にとって極めて良好な材料であり、試料Ｂは、試料Ａほどには良好ではないが、それは依然として金属部品の材料として良好ではある。
【０１０５】
一般的な説明又は実施例において上述の活動のすべてが必要であるとは限らず、特定の活動の一部分が必要でない場合もあり、記載されたそれらに加えて１つ以上の更なる活動が行われてもよいことに留意されたい。更に、活動が列挙される順序は、必ずしもそれらが行われる順序ではない。
【０１０６】
明確にするために、別個の実施形態の文脈で本明細書に記載される特定の特徴はまた、単一の実施形態の組合せで提供されてもよい。反対に、簡潔にするために、単一の実施形態の文脈で記載される様々な特徴はまた、別々に又は任意のサブコンビネーションで提供されてもよい。更に、範囲内に記載された値への言及は、その範囲内の各々の及びあらゆる値を含む。
【０１０７】
利点、他の長所、及び問題の解決策は、特定の実施形態に関して上述されている。しかしながら、利点、長所、問題の解決策、及び発生するか若しくは明確になる任意の利点、長所、又は解決策をもたらし得る任意の特徴は、いずれか又はすべての請求項の重要な、必要な、若しくは必須の特徴として解釈されるべきではない。
【０１０８】
本明細書に記載された実施形態の明細書及び図は、様々な実施形態の構成の一般的な理解を提供することを意図している。明細書及び図は、本明細書に記載の構成又は方法を使用する装置及びシステムのすべての要素及び特徴の網羅的かつ包括的な説明としての役割を果たすことを意図するものではない。別個の実施形態はまた、単一の実施形態の組合せで提供することも可能であり、逆に、簡潔にするために、単一の実施形態の文脈で説明される様々な特徴はまた、別個に又は任意のサブコンビネーションで提供することも可能である。更に、範囲内に記載された値への言及は、その範囲内の各々の及びあらゆる値を含む。他の多くの実施形態は、本明細書を読んだ後にのみ当業者に明らかであり得る。本開示の範囲から逸脱することなく、構造的置換、論理的置換、又は他の変更を行ってもよいように、他の実施形態を使用してもよく、本開示から導き出してもよい。したがって、本開示は限定的なものではなく、例示的なものとみなされるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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